■神龍汽車有限公司 （湖北襄陽 441004） 葉宗茂 劉沉前

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孔徑氣動測頭又稱氣動塞規(guī)，由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量數(shù)據(jù)可存儲，非常適合復(fù)雜環(huán)境下的孔徑測量，是大批量、精度要求高的汽車零部件孔徑測量工具的首選。

動力總成零部件產(chǎn)品上公差等級要求高于IT8以上的內(nèi)孔直徑測量，大都采用氣動測量儀配合內(nèi)徑氣動測頭進(jìn)行測量。

1.孔徑氣動測量特點(diǎn)

孔徑氣動測量有下列主要特點(diǎn)：

（1）應(yīng)用范圍廣。①同一臺氣動量儀配上不同的氣動測頭，可以測量多個部位、不同直徑的孔徑。②由于測量頭和讀數(shù)部分可以分開，故可測量一些較難測到的部位，如直徑1mm以下的小孔、1m以上的深孔等。③可進(jìn)行不接觸測量，適用于對一些容易變形或容易損壞表面的孔徑進(jìn)行測量。④對周圍環(huán)境要求較低，對振動不敏感，不怕電磁波的干擾，不受被測表面上的切削液、油類和灰塵的影響。⑤可以和光電元件結(jié)合在一起，在測量時發(fā)出控制信號，又由于對周圍環(huán)境要求不高，因此在動態(tài)和自動測量中得到廣泛的應(yīng)用。

（2）測量精度高。氣動量儀放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)萬倍，倍率高、刻度值小，測量精度高，示值誤差可低于0.5μm，長時間工作可靠。

（3）測量效率高。氣動量儀讀數(shù)容易，操作簡便，能進(jìn)行多尺寸連續(xù)測量，能適應(yīng)大生產(chǎn)的需要。

2.孔徑氣動測頭在動力總成制造過程中的應(yīng)用

孔徑氣動測頭廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、連桿、曲軸、凸輪軸、飛輪及各種支架上孔系直徑的測量，尤其應(yīng)用于缸孔、缸蓋導(dǎo)管孔、連桿大小頭孔直徑的準(zhǔn)確高效測量，變速箱變殼、離殼、差殼和橋殼等殼體零件上孔徑的準(zhǔn)確高效測量?？蓪?shí)現(xiàn)在非常復(fù)雜環(huán)境下的線上測量，如粗精鏜缸孔后直徑的測量；也可用于線上主動測量，如缸孔珩磨加工的主動測量；可用于內(nèi)孔直徑的線邊監(jiān)控，又可應(yīng)用于產(chǎn)品下線的直徑自動檢驗(yàn)與分級。

孔徑氣動測量分布在動力總成各個機(jī)加生產(chǎn)線上，起著其他孔徑測量工具不可替代的作用。

孔徑氣動測頭直接感受被測孔徑的變化，是孔徑氣動測量的重要組成部分。設(shè)計孔徑氣動測頭，既要滿足氣動量儀本體參數(shù)的要求，又要滿足被測件的不同特點(diǎn)和公差要求。但在使用過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些氣動測頭在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性等多方面出現(xiàn)問題，而大部分問題往往都是在氣動測頭設(shè)計時產(chǎn)生的，如噴嘴形狀選擇不合理、噴嘴數(shù)量布置不科學(xué)和噴嘴下沉量的確定不正確。

3.孔徑氣動測頭噴嘴形狀與尺寸的選擇

孔徑氣動測頭噴嘴形狀通常有如圖1所示的普通圓噴嘴、矩形噴嘴、擋板式噴嘴和球噴嘴等四種。依據(jù)是被測工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、孔徑公差要求以及氣動測量方式等具體要求，可選擇不同的噴嘴形狀。優(yōu)先選用圖1a所示的普通圓噴嘴；當(dāng)內(nèi)孔直徑＞20mm時，可以選用圖1b所示的矩形噴嘴；當(dāng)測量內(nèi)孔表面比較粗糙、直徑較大時，可采用圖1c所示的擋板式噴嘴；當(dāng)測量一些形狀特殊的內(nèi)孔如錐孔直徑，或有特殊要求的內(nèi)孔直徑時，可選用圖1d所示的球噴嘴。

一般選噴嘴孔徑為2mm，因?yàn)闅鈩恿績x的特性是按此設(shè)計的。對于較小被測孔徑，可根據(jù)測頭的直徑D，按表1選擇噴嘴形式和尺寸。

對于被測孔徑φ1～φ3mm氣動測頭，可取噴嘴直徑為0.3mm，但需要接氣動放大器，否則得不到必須的放大倍率。

4.差速器齒圈內(nèi)徑氣動測頭噴嘴形狀的改進(jìn)

測量MA變速箱差速器齒圈內(nèi)孔直徑的氣動測頭，最初投產(chǎn)時采用的是雙向圓噴嘴氣動測頭，測量誤差大、故障多，經(jīng)常需要調(diào)整量儀系數(shù)，不僅存在一定的質(zhì)量風(fēng)險，而且嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的勞動生產(chǎn)率。通過對故障原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔表面粗糙度及加工切屑對測量結(jié)果及儀器的使用影響較大。

為了消除零件內(nèi)孔表面粗糙度及殘留切屑對測量結(jié)果的影響，在圓噴嘴與零件內(nèi)孔表面之間增加一個如圖2a所示的擋板測頭，氣體直接吹在擋板上，由擋板上的球型測頭實(shí)施接觸測量，消除了測量誤差與故障，改進(jìn)后的差速器齒圈內(nèi)孔直徑氣動測頭如圖2b所示。

5.缸孔和差殼內(nèi)孔直徑在線氣動測頭噴嘴形狀的改進(jìn)

TU缸體L1線缸孔鏜削加工后的直徑的在線氣動測量，最初采用如圖1a所示的圓噴嘴氣動測頭，為了消除表面粗糙度對測量結(jié)果的影響，改為如圖2所示的擋板式氣動測頭測量，使用一段時間后發(fā)現(xiàn)：鏜削加工時，切削液帶動切屑很容易嵌到擋板下堵住噴嘴，導(dǎo)致測量結(jié)果異常，出現(xiàn)故障報警，影響生產(chǎn)，于是將擋板式噴嘴改為如圖3a所示的矩形噴嘴，從根本上解決了加工切屑沉積在擋板下面造成的測量不準(zhǔn)確和儀器報警停機(jī)的故障。

圖1 孔徑氣動測頭噴嘴形狀

圖2 擋板式差速器齒圈內(nèi)徑氣動測頭

圖3 改進(jìn)后的矩形噴嘴內(nèi)徑氣動測頭

表1 內(nèi)徑氣動測頭噴嘴形式和尺寸（單位：mm）

MA變速箱差速器殼體內(nèi)孔直徑在線測量所使用的氣動測頭最初也是擋板式噴嘴，后來發(fā)現(xiàn)切屑很容易嵌到擋板下堵住噴嘴，出現(xiàn)故障報警，將擋板式氣動噴嘴測頭改為如圖3b所示的矩形噴嘴，測量報警故障明顯降低。

矩形噴嘴布置時一定要保證矩形長邊與機(jī)加工紋路方向平行，這樣可有效減少受表面粗糙度影響引起的氣體泄漏，提高測量準(zhǔn)確度。

6.孔徑氣動測頭噴嘴數(shù)量的布置

孔徑氣動測頭噴嘴數(shù)量要根據(jù)被測零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測量要求來布置，通常有如圖4所示的雙向噴嘴、三向噴嘴、四向噴嘴等。采用三向、四向等多噴嘴測頭的氣動量儀測量出的是工件內(nèi)孔的平均直徑，由于是平均尺寸，無法準(zhǔn)確測量出內(nèi)孔的圓度誤差，動力總成零部件制造現(xiàn)場大量使用的還是雙向噴嘴。如圖3a所示的缸孔直徑氣動測頭，同一截面布置了8個氣孔，它們是由4組雙向噴嘴組成的，每一組一個氣路，共有4個氣路。圖3b所示的差殼內(nèi)孔直徑氣動測頭在不同截面（空間相距90°）布置了2組雙向噴嘴，由2個氣路組成。

（1）雙向噴嘴氣動測頭特點(diǎn)。雙向噴嘴的孔徑氣動測頭如圖4a所示，即由單一氣路上的兩個方向相反的噴嘴組成。這種安排布置可以使氣動測頭在測量直徑時，在孔內(nèi)“自行找正”，如果一個噴嘴壓在工件的內(nèi)徑壁上，相反方向的另一個噴嘴則具有較大的間隙，總的背壓是與兩個噴嘴距工件內(nèi)徑的距離相等時是一樣的，即對向噴嘴的氣動塞規(guī)中兩個噴嘴距工件的距離的變化，對測量結(jié)果的影響并不是很大。測量時，旋轉(zhuǎn)氣動塞規(guī)，可以測量出被測孔的最大直徑和最小直徑，進(jìn)而可以給出被測孔的圓度誤差。

（2）孔徑氣動測頭噴嘴數(shù)量布置實(shí)踐。MA變速箱離合器殼體差速器安裝孔如圖5a所示，用氣動測頭檢測圖中φ63+0.04+0.01mm的孔直徑，在殼體L1線，配置的是三向噴嘴的氣動測頭，如圖5b所示；在殼體L3線，配置的是雙向噴嘴的氣動測頭，如圖5c所示。隨機(jī)抽查L1線生產(chǎn)的2個零件，分別用兩個氣動測頭測量φ63+0.04+0.01mm的孔直徑，測量結(jié)果如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，這兩個零件用三向噴嘴的氣動測頭測量的直徑是合格的，重復(fù)性較好，但用雙向噴嘴的氣動測頭測量的直徑是超差的。將差速器軸承外環(huán)裝入到這2個變速箱離合器殼體上時有卡滯現(xiàn)象，用手不能轉(zhuǎn)動（產(chǎn)品定義該軸承與孔為小間隙配合，故工藝要求軸承外環(huán)裝入后能夠用手轉(zhuǎn)動），因此，這兩個零件是不合格的。

圖4 孔徑氣動測頭噴嘴數(shù)量與布置

圖5 離合器殼體差速器安裝孔氣動測頭噴嘴數(shù)量布置

表2 L1線生產(chǎn)的2個零件分別在兩個氣動塞規(guī)上的檢測結(jié)果統(tǒng)計（單位：mm）

從這個實(shí)例可以看出：雙向噴嘴的氣動測頭測量孔徑的準(zhǔn)確度明顯高于三向噴嘴的測量結(jié)果，對零件符合性的判定準(zhǔn)確。更換殼體L1線加工中心的刀軸軸承，將該孔直徑的加工參數(shù)調(diào)整到直徑公差的中間值，加工出的零件合格，沒有出現(xiàn)軸承外環(huán)卡滯的現(xiàn)象。

在EB項(xiàng)目缸體L7線邊檢具的預(yù)驗(yàn)收過程發(fā)現(xiàn)了許多類似的三向、四向噴嘴的內(nèi)徑氣動測頭，當(dāng)即讓供應(yīng)商整改成雙向噴嘴的氣動測頭，避免了質(zhì)量風(fēng)險的發(fā)生。

7.內(nèi)徑氣動測頭噴嘴下沉量的確定

以對向噴嘴原理設(shè)計的內(nèi)徑氣動測頭必須要有噴嘴下沉量，噴嘴下沉量是噴嘴端面與測頭導(dǎo)向面之間的距離，一般取0.010～0.020mm，如圖6a所示，下沉量d的大小決定了測量背壓曲線的初始間隙，當(dāng)測量間隙較小時，由于空氣的粘性，背壓曲線具有明顯的非線性，如果測頭噴嘴端面的下沉量取得不適當(dāng)，就可能使測頭的某一個噴嘴在非線性段工作，從而造成測頭的位置誤差，因此下沉量d的大小是影響測頭相對位置誤差的主要因素之一，同時，下沉的噴嘴可以避免測量噴嘴的磨損，還可以保護(hù)測量噴嘴斷面不受磕碰。

驗(yàn)收時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些孔徑氣動測頭沒有設(shè)計下沉量，如圖6b所示；具有噴嘴下沉量的內(nèi)徑氣動測頭噴嘴端面會有明顯的磨削痕跡，如圖6c所示，有的噴嘴是鑲嵌進(jìn)去的，有下沉量的噴嘴明顯低于端面。

8.孔徑氣動測頭現(xiàn)場使用注意事項(xiàng)

氣動測量是利用空氣在流動過程中某些物理量（如壓力和流量）隨被測量的變化而改變來實(shí)現(xiàn)的。因此，除了孔徑氣動測頭的技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計影響測量的準(zhǔn)確性外，供氣壓力、使用方法、被測零件表面粗糙度等相關(guān)因素都對氣動測量結(jié)果準(zhǔn)確性有重要的影響。

正確使用是保證氣動量儀測量準(zhǔn)確性、提高其使用壽命的基礎(chǔ)?？讖綒鈩訙y頭使用需要注意以下事項(xiàng)：

（1）氣源需要經(jīng)過精密過濾，顆粒過濾精度要＜5μm，無水、無油；壓力穩(wěn)定、干燥、清潔的測量氣源是保證測量精度的基礎(chǔ)，但制造工廠提供的壓縮空氣內(nèi)含有的油、水和灰塵很容易使氣路系統(tǒng)中的節(jié)流孔堵塞或積垢，導(dǎo)致測量零位偏移，產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度，降低測頭使用壽命，因此，氣源必須要經(jīng)過過濾達(dá)到氣動量儀使用要求。

圖6 內(nèi)徑氣動測頭噴嘴下沉量的確定

氣壓波動會造成測量系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，增加穩(wěn)壓罐等穩(wěn)壓裝置是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的一項(xiàng)重要措施。如缸體L7線EB2缸孔直徑終檢機(jī)未安裝儲氣穩(wěn)壓罐，測量過程中壓力達(dá)不到，經(jīng)常出現(xiàn)報警，測量結(jié)果不穩(wěn)定；其他幾條缸體線缸孔終檢機(jī)都加裝了儲氣穩(wěn)壓罐，很少出現(xiàn)壓力故障。

（2）氣動測量耗氣量大，最好安裝自動斷氣裝置，節(jié)省能源。也可以配置一個獨(dú)立的開關(guān)，不用時關(guān)掉氣源。

（3）管路采用標(biāo)準(zhǔn)的氣管，禁止折疊，接口可靠，特別是輸出端，連接完后，應(yīng)該進(jìn)行泡沫測試。另外，手柄與測頭的連接也要可靠，不能有泄漏。

（4）校準(zhǔn)件應(yīng)該配備2個，可以隨時驗(yàn)證設(shè)備的線性范圍和精度。

（5）較重的測頭應(yīng)該配置平衡吊。

（6）使用過程禁止撞擊測頭。

9.孔徑氣動測頭更換注意事項(xiàng)

當(dāng)使用過程中需要更換孔徑氣動測頭時，為了保證更換測頭后的量儀的準(zhǔn)確性，必須注意如下事項(xiàng)：

（1）考慮氣源流量是否足夠，當(dāng)圓噴嘴換成矩形噴嘴時，如果傳感器沒有顯示值，說明流量可能有問題，要注意查看壓力表（2.5×105～3.5×105Pa）。

（2）更換測頭前，應(yīng)將測頭上的噴嘴號碼記錄下來，如果測頭上的噴嘴型號發(fā)生改變，必須訂購相同的噴嘴與之相配套。

（3）更換測頭時密封圈不能丟失，安裝時確認(rèn)定位好，避免被切斷，測頭較重時注意防止磕碰。系統(tǒng)修正前，傳感器沒有任何修正和補(bǔ)償，應(yīng)將系統(tǒng)修正系數(shù)還原為1。

（4）更換測頭后，首先要計算系統(tǒng)的放大系數(shù)：用氣動測頭測量大、小校準(zhǔn)件，記下傳感器顯示值，計算校準(zhǔn)件計量值與傳感器顯示值的差值的比率，即是傳感器的放大系數(shù)，然后將該系數(shù)輸入設(shè)備；第二要核對傳感器系數(shù)，再次用氣動測頭測量大、小校準(zhǔn)件，再次將顯示值與計量值比對，差值與計量差值比對，需要多次。如果差值不對，需要重新修正系數(shù)，必要時才能進(jìn)行表面粗糙度補(bǔ)償。

10.減少孔徑表面粗糙度對氣動測量結(jié)果影響的方法和措施

孔徑氣動量儀對孔徑表面粗糙度很敏感，減少內(nèi)孔表面粗糙度對氣動測量結(jié)果影響的方法和措施如下：

（1）用一個常數(shù)（取決于零件表面粗糙度的平均值，這個值用于補(bǔ)償精度誤差，取決于零件和校準(zhǔn)件表面粗糙度差值），測量儀具備表面粗糙度補(bǔ)償功能。

（2）用一個平行于表面粗糙度紋路的矩形噴嘴，用一個圓柱噴嘴，誤差分解。

（3）用一個與零件相同的表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)件。

（4）用擋板式接觸測頭代替氣嘴直接測量。

11.結(jié)語

隨著氣電轉(zhuǎn)換技術(shù)和傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，孔徑氣動測頭的分辨率、精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性越來越高，應(yīng)用越來越廣泛。應(yīng)熟練掌握孔徑氣動測頭設(shè)計要點(diǎn)，使用過程中及時排除對孔徑測量結(jié)果的影響因素, 讓孔徑氣動量儀在汽車零部件制造現(xiàn)場發(fā)揮更大作用。